シーラス反応炉について

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最近の石油化学業界における化学プラント諸設備の大形化および反応解析の進歩･改良に伴うェチレソ●アンモニア設備の分解炉および改良炉に閲し,シーラス反応炉とその燃焼設備の問題点をとりあげここに述べるものである｡表1わが国石油化学工業用ナフサの需要予想

1.精

白 30万t/yを越すエチレン,1,000∼1,500t/dのアンモニア,25∼ 35万t/yの塩ビモノマープラントの新乱稼働など,最近のわが国化学工業界の最大の話題は,プラントの大容量化と,それに伴った業界の掟携,再編の問題である｡典型的な装置産業である石油化学工業では,設備の大容量化が製品価格の低減,競争力の維持に第一義的に有効であり,反応解析の進歩,装置材料の改善,単位装置の大容量化,反応器サイズの縮小に有効な触媒類の発見と改良,熱利用を中心とした補横類の進歩とユーテリティの改善,収率維持と連続運転を保証する計装,コントロールの進歩などがその大形化をささえているといえよう｡本文は,エチレンやアンモニア設備などの大容量化に対し,その基幹部ともいうべき分解炉と改質炉を対象に,日立製rF所におけるシーラス形反応炉とその燃焼設備につき現状と問題点を取りまとめたものである｡

2.わが国における原料事情の予測

わが国でほエチレン,アンモニア,水素,オキソガスなどの原料炭化水素は,はとんど精油所からのナフサ供給によっている｡いま 30万t/yのエチレンプラントを例にとると,そのフィードナフサは 170万kJ/yに達し,精油所の原油処理量は33万バーレル/dを要することとなる｡現状の精油所能力の最大が20(ノ30万バーレル/dであることや,ナフサ得率とその価格体系などを考えた場合,近い将来にナフサ中心のコンビナート運営は行き詰まらざるを得ないと指 (根付il右) 吉名純度ブロエチレンビレニ二子しンユニ･ノ; 3ガパーレノし.･■巳ピ∵ナ .-ト 7 水オ;処り純触己七+亡J亡フグチエン丁一手･レン C｡ ▼テ'口てし-ナフグレン /＼ンーLナ￣ン音字こi,千祁】｡【! て￣十しン ′､ _榊l■ /ノト勺Ll セノンフェノールアセトンろ一ンレ/

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(Al-ゝニン十ント十ミキノr川.ノ･ナニ言コL-一卜へイ,￣ l■.iとトナニJ▼′こl￣7一二･･イ小ト(1965卜′･γi与rし￣iしご) 回1 _{ベトロケミカルリブ7イナリーの実例と提案} * バブコック日立株式会社呉工場年次エチレン′ 生産能力ここテレソ用ナフサ

(宗雛誉十)

ナフサ計(1) 1967 (′実績) (昭一42) 1972 (二昭一47) 1980 r:昭一55) 144 万t/y 445 万t/y 1,019 万t/y (2) 958 万kJ/y 2,800 万kJ/y 5,800 万kJ/y 1,247 万kJ/y 3,448 万kJ/y 7,500 万kJ/y (3) ガソリン需要量 1,436 万kJ/y 2,345 万kJ/y 国産ナフサ輸入ナフサ 1,118 万kJ＋ 165万kJ 2,306 万kJ＋ 1,142万kg 3,690 万kJ＋ 3,810万kJ 備考輸入ナフサ購入に苦慮斉ミ7￣すソiノ三宮赦する国産ナフサ｡大量の鎚ゝ三三ヱ_ 石油総桐費塁(4) 3.69億kJ 注(1)(芳香族,そのほかの石油化学,アンモニア＋都市ガス用)ナフサ計〔2)原陽一郎氏一石油化学の将来(昭一44) (3)(4)大永勇作氏一日本のエネルギー事情とエネルギー政策(昭一舶) 摘される｡また石油化学工業全体で考えてみると表1のような予珊がたてられており,10年後の1980利こエチレン1,000万t/yは実現性のあるものと考えられるが,原料をナフサのみに求めることほ不可能と考えてよい｡では,石油化学ほその原料を何に見いだすのか,結局は原油そのものの利用へ行かぎるを得ないであろう｡これの最も注目すべき一つがペトロケミカル･リファイナリーの提案(1)(2)と考えられ,図lのように分解反応をフルに採用して,原油から給合的に化学用合成原料を製造しようとするものである｡この方式によればエチレンはもちろん,アンモニア,水素なども,従来多くの実績を蓄積してきた管式反応炉によって製造できることが明らかで,さらに灯軽油の熱分解技術の確立は,現在直ちにナフサ不足の緩和にもつながって誠に興味あるものといえよう｡もちろん原油の各種直接分解機や炎分解によるエチレン,アセチレソ併産方式などの研究開発,突刺ヒが進めミナス J如I-13177屯ノ/F二 ∴タン +-￣/1十 j￣咋;'ji て′り■′ト小らrrヤ､ノ ∴仁ニ'j＼1.トノノ屯ご【=, Lr!誘こ粁こ料カ11臥0 エチレン 30.0 7りロビレン 18.7 C｡1.PG 2.5 丁クチエン 6.5 C4LPG l(19 C5 3.4 A-り山0 ハ仇⊂山屯ンンンゼエレンルンぺーキ ∩川 5 7 1 2 5 ワ】エU ン γ .1山ごー →へろJ J･-り了一汁クタ､/ 他心一 7 ｢局如 ÷ノ .つ･〔L 7･

(2)

170 _{昭和45年2月} +_エられているが,大容量化を指向し繋!回収利用を極度に要求するこの種プラントに対して,今後とも主流を占めるものとほ考えられない｡

3･エチレン分解炉

3･1エチレン分解炉の技術的問題点欧米におけるエチレンプラント大容量化の実状を昭和42年末に調査された｢石油化学二l二業調査団報告書】!によれば,分解炉の技術的開発の目標ほ次のように述べられている｡ (1)規模拡大に適する設計 (2)原料の性状に対応する融通性 (3)収率パターンの融通性 (4)熱回収系統の効率向上 (5)デューキング間隔の長期化 (6)コイル,サポートの耐熱安定性 (7)コイル加熱の均一性の向上 (8)ハイ･シビアリティ分解 (9)ガス燃料と液体燃料混焼率の融通性 (10)コイル取り換えの容易なことこれを分解炉の設計製rFに当たる老とLて整理Lてみると次のように考えられる｡=1)に対応するものを(1)′のように表わした｡) (ト)′分解炉の設計可能な最大容量ほ凍らか二 (2)′管式分解炉で取り扱いうる原料油の性状ほどこまでか,その収率パターンほどうかこ (3)′ ある原料油に対Lて収率バターンこまどレつように変えられるかっ (4)′-(a)炉の熱効率ほ(加熱燃焼ガスブ)出口温度は何蜜まで下げうるか｡) (4)し(b)分解ガスの急冷とその熱回収装置の構造,効率は二. (5)′ _{ヵーボンあるいほコークの生成,付着機構とその対策ほ｡} (6)′850∼1,050℃の高温に達する分解コイルの強度維持千変形防止と,またより高温こなるサポート構造の強度推称まこ. (7)′(6)′,(5)′に関連するカ､こ,コイル材のき裂発生や,コー_7生成を防止するための円周方向混変分布√)均一性をいかに向上するか｡ (8)′ _{エチレン収率の向上,コーク生成の減少レつため,急速加熱} と高温,短滞留時間の熱分解反応を行二なえる炉であるか｡ (9)′ コンビナートから発生する各種燃料ガスを利用しうるノミーナがあるか,さらに余剰淡状燃料ま｢捷鞘できるか｡ (10一)′_{ベンドを含む分解コイ′ンが,安全に長期の運転に耐え､カ} ーブリゼーショソその他による劣￣卜も少なく,万一の場合にも容易に補修ぞ交換二う二っき,停止期間を短くする構造であるかここれらをさらに,炭化水素の熱分解反応という面と,炉の構造設計のハード面に分別すると, (､A)炭化水素の熱分解反応解析に関するもご￣)として: (2)′,(3)′,(4)′-佃)･,†5ト′,√.8′)′ (B)炉の構造設計に関するものとLて: (4)し(a),(6J′,(7′ト′,ご10)′ :こC_)燃焼枚器の構造干その運転方法とコントロー′しに閲す一己ものとして: L2′)′,(3)′,(8)′に対するゾーンコントローノン方式,7･･′に対するバーナ構造,(9)′ のようiこなり,このしAいB:･,〔Clを結合L′て:1･′,すなわち分解炉の目的,仕様に沿った最大容量が決定されるものである.二たとえば,ナフサの代わりに灯軽油を原料に和し､々tば,エチレン, プロピレンの収率変化や,コーク生成の増大は明らかで,炉の容量の (｡こンニ拝呈ハエ十H

評

論

(訳}ヱト)ゝ夏空‡軍やトヽ卜.-.卜 ■ +■ +｢■ : ヽつーhJ 4 ∩ヽしり】 1⊥ 10 第52巻第2号､---×l--､ 10() 150 200 F川一十′十ノ′EnflBりi】ingl一--intぐC) 図2 原料ナフサの性状とエチレン収率

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Hd Hニー､､＼---750PC 0,05 0.1 0.5 1 2 3 4 5 (he) 図3 実験炉による比重0.676クウェートナフサの分解収率減少,運転時間の短縮を招来するL,液状燃料を使用すれば,(シーラスバーナのある種のものを除いて)ゾーンコントロールが不じゅうぶんでハイ･シビアリティの分解は達成できず,コイルの均一加熱も不可能で高いエチレン収率や収率パターンの融通性が得られない,など相互複雑に関連した問題で,すべてを満足することは不可能と言ってよく,分解炉容量の設定は,供与の仕様,条件に対して新Lい解析と過去の実績の上に立って行なわれるべきものである｡ 3･2 _{管式分解炉による分解反応解析の状況} 日立製作所およびシーラス社の実験研究をもとに,この間題を述べてよんよう-(1)馴斗の性状と収率パターーン図2は,エチレン収率と原料ナフサのEndBoilingPointとの関係を示L,ハイ･シビアリティ分解炉における900℃分解時の収率を付記Lている｡図3こ三,われわれの実験炉によるナフサ｢比重0.668二)分解データの一例を示し,実用炉に比較してエチレン収率はかなり高く, 反応管構造改変と反応温度,滞留時間,加熱方法,急冷方法のコントローノンで,実用炉のエチレン収率も,なおいくぶんか改善できる余地のあることを示している｡図4は,日立製作所の製作したナフサ分解炉のエチレン収率を反応温度をパラメータとして,反応容積率(反応管容積Vm3/マスベロシテFkg′･Sノによって整理したもので,メディアム分解からハイシビア分解への発展効果が明らかであるが,図3の実験値に比べ収率はかなり低い｡図5は,EndBoilingPoint-345℃,API比重一35.400のガスオイルの使用を日軌こ,シーラス社の実験炉でプロセス温度880℃ まで,滞留時間0.1∼2secの条件の下で行なった種々な原料に対するエチレン収率の結果を示し,図dはプロピレンやC4プロダクトの収率が,C3以￣Fの収率を45∼50%とした場合最高になることを示している(3)｡図7,図8はわれわれの実験炉でE.B.P-316.5℃比重-0.838 の軽油を分解した結果を示し,軽油の場合,エチレン収率25%を

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一 .■一一￣ 0.8 1.O l.2 1.4 l.6 1,8 しl･与三1･r.ノF(m3.･kg■s) 図4 実績炉における反応管容積率とエチレン収率

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4ク･▲/_丁イト￣/ルレンイJ ナ｢/サ 30 40 50 60 70 C二｡十Ligbtpr(別図5 種々な原料油とエチレン収率 5 0

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20 30 40 50 〔::+十I｡ighter(%) 図6 _{ガスオイル分解の} プロダクト(Cる,C4)収率ーエ÷しン小(ヰエーーーー7ロヒレン付与; 0 6 650 700 750 800 850 900 950 図7 _{軽油(比重0.83即の熱分解実験} によるエチレンプロピレン収率得るにほ850℃程度の高温分解を必要とすることがわかるが,プロビレソやBTXの収率は著しく下がり,それらの高収率回収は, ガスオイルの図dと同様比較的低温でじゅうぷんな滞留時間を与えたマイルドクラッキングが有利である｡灯軽油の実用化には, エチレン′収率を主としたハイ･シビアリティのナフサ分解炉にマイルドクラッキングの灯軽油分解炉を併設して,プラント全体の収率パターンに融通を与えるといった方向が有効であるように考えられる｡ (2)分解条件とカーボントラブル高温分解で予想される問題は,カーボンやコークの生成と付着であり,反応コイル内と急冷熱交の伝熱管内とに分別して考えられねばならない｡直接加熱される反応コイルでは,壁温の上昇コイル材内面のカーブリゼーション,デコーキングによる運転休止, このときの加熱一冷却サイクルによる高温材の劣化,不手ぎわなデコーキングによるコイル材内面の脱炭,強度低下など実用炉の運転として最大の問題となり,急冷熱交でいえば伝熱阻害,発生蒸気量の減少,さらに急速なガス通路の閉そく,圧力降下の増太分解庶の上界による収率低下とつながり,結局分解炉の運転休止, デコーキング間隔の短縮をもたらして,全プラント効率の低下と反応コイルの劣下を促進する｡図9は,われわれの実験炉で得たナフサ分解時の物質収支を示し,未回収油としたものがカーボンやコークの生成,付着量を表わすと考えてよく,滞留時間の影雫をよく示している｡図10は,図7,8に収率を示した軽油の分解実験において,分解油コンデンサに付着したタール状物質とカーボンの状況を示したもので,同じく滞留時間の影響をみることができる｡シーラス祉の実験でも,図5に示した種々な原料油に対するエチレン収率の線図で,それぞれのターミナルポイントが,オーバクラッキングとそれによるコーキングトラブルを防止しうる限界としている｡ 3.3 _{炉の構造設計の状況} わが国における昭和32年(1957)以来のナフサ分解炉の動向は, 8 A-∧U (訳一三古きハ.斗八て (㌔一三有望ハり+二 2 1 0 (演言)冬空∴上∴叶

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0.2 11ルエン 0.5 1.0 2.0 こ毛印さ川音】(S)

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2 ハ肌 0 0.5 1.0 2.0 5.0 帯馴寿間(S) 図8 _{軽油(比重0.838)の熱分解実験} によるBTX収率 1.0 斗メ丁￣ソ ≡二 0.5

芸

● 分解仙末郎収納 (コークカーボン含有) 分解力√ス分解∼去い聖8000C 0.1 _0.2 _0.5 _1.0 2 描脚即日(s) 図9 _{ナフサ分解実験における物質収支} 850℃ 850℃ 850℃ 850℃

1.45se O.7se O.38se O.24se

図10 軽油分解実験におけるコーク,タールの発生状況はぼ図11によって知ることができる｡シーラス社のダラジューショソ炉とその改変形が主流をなしたが,1966年ごろからたて形コイルが注目され,1968年よりS&W形ルーマス形が本邦でも建設されている｡サイドファイアリング,ラジアソト形小容量バーナの多数配置とゾーンコントロールなど,基本的問題はシーラス社の考え方

(4)

172 _{昭和45年2月} 34 32 30 ∽.H きコU巴 (式一三キヨハ上≠り【バ) 2 6 4 2 0 00 6 2 2 2 2 1 1▲ 14

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K6卿りy レ‥･シラ∴プラニ′ェーーシラン叫図11わが国におけるエチレン分解炉の動向がそのまま踏襲されていると考えてよい｡表2ほ,シーラス社が1967年コロンビアカーボン社と共同で設置研究した実用形試験炉以降,1969 年8月までに受注し,建設中または設計中のたて形炉を示したものである｡最大容量は2セル1基8 万t/yに達しているが,オイルたきの併用,ナフサとガス油や軽油の兼用分解などそのプラントの目的,性格に応じた炉を設定しており,単に炉容量の増大のみが考えられていないことを示している｡図12ほ,オイルたき60%で設計された2セル1基5万t/yのシーラスたて形炉の概略を示したものである｡エチレン収率26∼28% Ou【

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評

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_第52巻 _第2号表2 _{シーラス社たて形分解炉実績表(1969/8)} 納入先 COLUMBIAN _CARBON MONTE SUD ERDOL CHEMIE S.Ⅰ.R. A.N.Ⅰ.C. U.R.B.K. COLUMBIAN CARBON 1QA-SHELI一. TARRAGONA 国名 rCell数アメリカイダリー西ドイツイクリーイクリー西ドイツアメリカスペイン 1 6 18 4 容量 (MT/Y) 150,000 360,000 170,000 80,000 230,000 24,000 備考 1967/6運転(試験炉) Proto Type heater 65%オイルたき 30%オイルたき 30%オイルたき 60%オイルたき門形 1基 (試験炉) Proto Type Heater 30%オイルたき図12 _50kt/y た _{て形分解炉(60%オイルたき)} でメディアムシビアリティの上限をねらった兼用分解炉であるが, 要所はじゅうぶんなゾーンコントロールが行なえるようしている｡図13はたて形コイルに対するデュラジアントバーナ用燃料ガス配管を示し,従来多用されてきた横形コイルに対するものと同様の考え方で,列ごとのコントロ⊥ルをシンプルに行なっている｡たて形炉は後出,図15に示すような横形炉と異なり,コイルサポートは著しく減少,単純化されるが,構造上1個所の欠損でもコイルに重大な損傷を与えるので,シーラス社は横形炉の経験を生かして, 図14のように炉外へコイルの上部ベンドを配置して支持する構造を採用している(4)｡図15は,わが国最大の2セル1基50kt/yのハイシビアリティ横形分解炉の構造図を示したものである｡分解温度は850∼900℃,比重0･7のナフサをフィードしてェテレソ収率翁∼30%を得る｡クラッキングコイルには6パス,25Cr/20Niと25Cr/35Niの遠鋳管を使用し,コイルサポートとしてほ,出口側6本1群がアンダーサポート上部はすべてハンガ揺動式サポートで材質はタングステン含有のスーパーアロイを採用した｡ハンガ揺動式サポートほチューブの伸縮にしたがって揺動し,高温時にコイルに掛かる曲げ応力を防止する,コイル重量を支持する上部ピン部ほ炉外へ引き出され極力断熱している｡本炉と全く同容量,同構造の炉が西ドイツR.0. W･のNo･5とその増設,Shell,オランダおよびフランス向けで使

-72-燃料力一スレ (A)全体系統l,Jl (炉11￣帆郎)

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l 卜しン(B)詳柵悶図13 _{シーラスデュラジアントバーナ用} 燃料ガス配管(たて形炉) も.+ りしl ら_+ しl

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(シーラス特許1967-1) 図14 _{シーラスたて形分解炉の} コイルサポート 0 州＋ 6 0 N N N アク

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′/′/ クロスオ【パー Ac･Temp(2)0･97 (500∼5500c) コンペクションコイル￣￣ 010 20 30 40 50 60 70 80 901 ---- ラヂアントコイル良さの1与】jで｢% 図17 _{シーラスH.S.分解炉における} プロセス温度プロフィル Fc 裸国ゾーンコントロール C2H2Wtヲ乙入‖側ハーり空 15.8 1,500 1,000 500

芸1芸起

き悪貨一語

プロ 1,000 750 500 250 16.5 ガスオイルフィーート IC3＋1- _{47.6∼47･7､Vtヲ乙} 1020 3040.50 6070 80 90100 ラジアント部コイルの入口一山口の長きの割合% 図18 _{シーラス実験炉によるガスオイル分解時の} 温度プロフィル用されていて,シーラス社のH.S.大容量分解炉の標準形となっている｡構造設計の面からいうと最大の難点は,たて形コイルにせよ横形コイルにせよ500∼550℃(入口)一800∼900℃(出口)のプロセス流体温度で急速な吸熱反応を行なう分解コイルの強度設計にある｡図セスドア【シ…ラスバーナ K936 凸ロロ [][][コ [コ｢1 [コl￣1 [][][コ

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図15 _{50kt/yシーラスHS横形分解炉} Idはプロセス出口温度900℃として,チューブ数6本の1コイルにつきその設計温度を推定して示したものである｡右図はその場合,等長の各チューブの熱膨張量を比較したもので,ベンド部の温度差と組み合わされて当然各チューブに軸方向力と曲げモーメントを発生する｡実炉においては,収率主体で運転されるので,図17にみられるようなプロセス温度プロフィルの変更もしばしば行なわれ,またゾーンコントロールも,フィードの変化や収率変化に応じて意識的に行なわれるので,コイルの強度設計は単に最高メタル温度で内圧クリープに耐えるといったものでなく,そうした運転操作による各チューブ間の温度差から発生する熱応力をじゅうぶんに考慮したものでなければならない｡シーラス社の実験炉で,ゾーンコソトロールと管温プロフィルの関係を実測した一例を示したのが図18である｡デコーキング時の管壁の温度変化はより複雑である｡管内面に付着しているコークに空気を吹き込み酸化自燃せしめて除去するわけであるから,コーク付着管あるいは付着部位で表面燃焼の形となり局部的な熱応力やチューブ別に著しい温度差を発生し,さらに急冷をうける形となって,チューブの劣化,損傷に最悪の影響を及ぼすものと考えてよく,実用炉における測定例では同一コイル内で500℃ におよぷ温度差を生じている例がある｡設計メタル温度が,図1dや図柑に示したように900∼1,100℃に達する分解コイルのチューブ材には,Ⅰ.C.Ⅰ.を中心としたスチームリホーミング用反応管の研究と実績(5)から,その高温特性と経済性をベースに高Cr/Ni系の遠心鋳造管が賞用されているが,コーキングとそのデコーキング操作の存在や長尺の吸熱コイルとして使用される分解管としては,なお,研究進歩の過程にあるものと考えるべきで,リホーミング用反応管やその出口集合管に対してすら,1969 年9月より3年間の期間をかけて,BMI(BattelleMemorialInsti-tute,U.S.A.)が基礎的,応用加工面および設計的の研究を実施することが,使用者側,製造者側の実状と,問題の困難さを示すものと考えてよい｡表3は,分解炉に実用される耐熱材の化学成分を示し,表3】1は欧米での使用材を1967年現在でシーラス社の調査したもの,表3-2 は日立製作所が実用あるいは調査したものを示している｡成分申その他の部に示されたもののほか,溶解鋳造法,特殊成分,ガス成分

など,特許やノーハウに関するものは知るよしもなく,実用材とし

ての高温特性は表示の内容より,むしろそれらに含まれることに留意を要する｡図19,20,21はクリープ破断強度を主として,高温特性を示したものである｡図20では,従来標準的に比較のベースに用いられた

(6)

174 _{昭和45年2月} _日表3-1エチレン分解炉の分解コイルおよびサポート材立

_評

(シーラス社調査)(1967)

論

名 _一Cr

化信

学 n M C 組成 _% Silその _他第52巻 _第2号 HK-40 パイロサームG インコロイ 800 インコロイ 802 インコロイ 807 サーモロイ 47 Mo-Re#1 NA22H 12AC40 12ANC40 VG508 VG807 VG838 標準遠鋳 POSE-MARRE HUNTINGTONALLOYS HUNTINGTON _ALLOYS HENRY WRGGRIR ABEX CORP NATIONAL NATIONAL SCHMIDT& SCHMIDT& SCIiMIDT& SCIiMIDT& ALLOY ALLOY CLEMENS CLEMENS CLEMENS CLEMENS SCITMIDT&CLEMENS ₃₀ (注)◎主としてコイル材 _{⑳サポート材に実用されている｡} 蓑3-2 分解炉用実用 4040舶4040 0.94 0.75 <1.0 0 5 ･AT 2 1 1 < < <2.0 0.86 0.35 <0.75 0 5 0 3 1 1 < Ti,Al,Cu l.OCb,5.OW 臥OCo,0.55Ti O.3Mo,0.5Al l.5W 5.3W Cb 50Co CeZr 材(1968∼1969調査) ◎◎㊧◎◎餉合金名 GX40-25/35 GX40-25/20 25/20 GX50-36/26 25/35-Co-W 25/48-W Ei-Ka E

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(7)

ー74-フサやプラントの未利用液体燃料,さらに灯軽油,といったオイル混焼の要求が多い｡われわれもすでに60%分解残油を混焼運転中の分解炉を有するが,シーラス社･刀実績として西ドイツ(100k亡ノ′y),南アフリカ(100kt/y, 150lくt/y)の3プラントを60∼70%オイル混焼で問題なく運転しており,さらに表2に示すような受注が行なわれているr.これは燃料費低減に対する使用側からの要求と,反応解析の進歩とゾーンコントロールの有効な利用という炉製作者側からの応答がマッチして可能となったものである｡図23は,シーラス杜のナフサバーナとして知られたもので,加熱空気を使用してディフ

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ユザが内で噴霧ナフサを気化し,じゅうぶんな可燃混合気として先端チップよりカップブロック内へ噴出燃焼して,従来のガス式デュラジアントバーナと全く同様な特性を示している｡図24は,未利用液状燃料の実用テストをl二1立製作所の実験炉で行なった一例で,E.B.P.130℃のナフサと,241℃,292℃(C5∼C15 含有),H.C.油の燃焼状況を比較したものである｡図12にコンベンショナルオイルバーナと示したものは,市販バーナにも利用できるものがあるが,日立製作所では図25に示したパラレルフローYジ･ェット式オイルバーナを使用している｡空気または蒸気を噴霧媒体として300くらいの狭い噴油角度を有し,パラレルフロー形の二次空気導入で安定した長炎パターンを形成できる｡サイドファイアリング方式をとり要所のみシーラス,デュラジアントバーナを用いる反応炉は最適の性状を右し,南アロマーオイルを処理した例もあり,4.で述べる改質炉でマイルドなリホーミングを試料A E.B.P.=241℃ 比奄15/4 0.757 H.H.Ⅴ. _{11,000kcal/kg} 図24 ≠い＼＼

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(ガス _混焼付) 図25 BdWパラレルフローYジェット式オイルバーナ基準燃料噴射圧力空気過乗率空気予熱温度炉壁画温度試験条件 14kg/cm2g l.1 E.B,P.＋30℃ 1,000℃ (ノく-ナ対面) バーナ形式シーラスナフサ系バーナによるC5∼C15含有オイルの燃焼状況 K9005

(8)

176 _{昭和45年2月} _日 _止

_評

_論

_第52巻第2号行なうものに用いられる｡ゾーンコントロールの効果や実例は,図13,17および図18で触れたが,図2占は,われわれが電子計算械を用いて計算実験を行なった結果である｡これはかなりその効果を定量的に示し,バーナ容量の選定,運転方法の予測などに有効である｡

4.改

質

炉前章で,反応炉として技術的問題の多い分解炉につき詳説したので,改質炉についてはシーラス社の大容量炉の概要を述べるにとどめる｡シーラス社はメタンリホーミング炉は自社技術,ナフサリホーミングはⅠ･C･Ⅰ･プロセスを技術導入しているが,改質炉の構造などのハード面は全く独自のもので,サイドファイアリング要部にデュラジアントバーナを配置したゾーンコントロールの採用など分解炉と考え方の基本は同様である｡図27ほ, _{アンモニア1,300t/d相当の大容量炉の構造概要を示し} ! i -へ1＼FeedIn｢仁一ト †羊 l l l l l l 1 i!;圭

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-76-図28 _{大形改質炉圧力部の} 構造設計解析し1 t+ ･三l りら.1

(9)

表4 _{シーラス社のハイシビアリティ改質炉} ケース例 920 900 H.T. 仕様単位 I l Ⅱ l Ⅲ Ⅳ 容量 (プロセスガス) 反応管出 _口圧力反応管出口 _温度残反反反一連ソ径さ数始夕州内長本開イ管管管ラメげ応応応転 (Hz＋Co) MMSCF/D (atg) PSiG (℃) OF Volプg in ft 本 2 け1(1･< 2 2 9 7 (3 (L < 9 (2(L一< l 36 げ1(L < 0 00 (UL 当山+二+三三}｢ / J上1.仁子拝竣 S■C=∴千--ム/カ【ボン比 3.5 3.0 7 ･4-ハU 一U 6 ･A- AT-9 6 00 2 6 3 1 9 1 1 5 5 ● 0 ∧U 6 .4 4 (lハ) 9 1 1 址‖川上淋 UUo ₁ ₂ ₃ ₄ ₅ ₆ ₇ ₈ 9101112 蝿CH-1･70J%(Dr)･Gasl 図29 ブタンのスチームリホーミングにおける残メタンと反応温度 l

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一触∈--】 l l l l l 図30 _{ガスオイル混焼の大容量改質炉} たものである｡反応管にチドリ配列を採用して炉全体長さを押え, しかも反応管円周方向温度分布が図21にみられるようにじゅうぶん均等に保持できることは,デュラジアントバーナの使用効果にほかならない｡図28はこの大形炉圧力部の構造解析例で,熱膨張伸びの合理的な吸収と発生応力の減少を図り,長い反応管を固定せずその傾きを有効に利用している｡リホーミング反応に対しても,メタノールやオキソ合成向のように残メタンを小さく,適当なスチーム/カーボン比で反応管出口温度を800℃以上とする場合をシーラス社は,ハイシビアリティーリホーミングと称している｡表4は,シーラス社の/､イシビアリティ改質炉の仕様例を示したもので,反応管出口温度は900℃に達している｡改質炉のフィードもわが国では,ナフサからエチレンオフガス, LPG,C3-C4留分と多方面に広がっている｡図29は,ブタンのスチームリホーミングにおける残メタンーS/Ccl一反応出口温度の関係を示したものである｡図中にハイシビアリティ域と示した部分も実際的には伝熱律速範囲にあり,有効な改質反応を達成促進するためには反応管触媒充てん後半部の伝熱コントロールが必要なことを表わしている｡図30に示した大形改質炉は,そうした反応上の要求と, オイル混焼率の増加による燃料費低減の要求をマッチせしめた構造で,図25に示したYジ′ェット式オイルバーナが効果的に実用できる｡反応管や出口集合管の材料材質については前章で述べたが,触媒の変質劣化,カーボン析出と触媒の粉化などによる伝熱阻害,ローカルホットの発生などが改質炉特有のものであろう｡改質炉に密着した重要な装置に,熱回収高圧蒸気発生装置がある｡これに対しては別に取りまとめ発表(6)したので,前述の触媒に関するものとともに本論文では触れない｡改質炉は,マルチパスー単管の反応管からなり,その本数すなわちパス数を増加して,大容量化を達成することができる｡これは反応コイル形式をとる現状の分解炉に比べて合理的な設計といってよく, 管式分解炉の将来構造を予測せしめるものと筆者らは考えている｡

5.緒

言エチレン分解炉と蒸気改質炉を主として,管式反応炉に対するシーラス社および日立製作所の現況を述べた｡問題の所在やその現状がフィードの多様化,大容量化,原単位の低下を指向する石油化学工業界に多少とも役だてば幸いである｡日立製作所においては,2種のプロセス向けに受注製作中の記録的なEDC分解炉,すでに1年を越す連続運転を達成したベンゼソ分解炉,ノ､イ･シビアリティ改質炉としてのオキソ用炉数基の実績など,紹介すべき事項も多いが,これらについては稿を改めて報告したい｡本文中にも触れた耐熱鋳鋼材のHi-Ka(日立材)は,遠鋳管,普通鋳鋼ともすでに2種の開発を終わり実用にはいっているが,クリープラブチェア伸びの優秀な性状は注目に値するものである｡参莞文献 (1)林:石油化芋コンビナートの-一貫化化学工業,Vol･19, (2) (3) (4) (5) (6) No.7(1968) 林:石油化学工業の今日と明日化学工業,Vol.20,No. 10(1969)

M.R.Kitzen _et _al:Gas OilPyrolysisin Tubular

Reactors,C.E.P.Vol.65,No.7(1969) アメリカ特許:U.S.Patent No.3385271,1967/1登録 C.Edeleanu:MaterialsTechnologyinSteamReforming Process.(1966) 田札石川二改質プラントの熱回収装置化学工学(投稿中) (1969)